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1、材 料 科 学 导 论Introduction of Materials Science,材 料 科 学 导 论,参考书：1.材料科学导论融贯的论述作者：冯端 师昌绪等主编 出版日期：2002年05月第1版2.材料科学导论作者：肖建中 出版日期：2001年3.材料科学基础（第2版）作者：石德珂主编 出版日期：2003年06月第2版4.材料科学基础作者：徐恒钧主编 出版日期：2001年10月第1版5.材料科学基础作者：杜丕一 潘颐编著 出版日期：2002年03月第1版,材 料 科 学 导 论,绪 论一、材料的定义人们可用来制作物品的宇宙物质的子集在机器、结构件、器件、产品中因其特殊的性能而成为有
2、用的物质。领域巨大：钢铁、水泥、木材、塑料、玻璃、硅单晶、金刚石、,材 料 科 学 导 论,地球是所有材料的来源和最终归宿。从矿石、树木、石油金属、水泥、化学产品、纸张、晶体、陶瓷、塑料各种产品废料或解体回归地球两大范畴：矿业及农业科学与工程采矿科学与工程,材 料 科 学 导 论,材料科学与工程的定义：将材料的成分、结构、加工工艺、性能与环境影响联系起来的知识的探索、积累、研究、总结与开发应用。材料科学着重知识的探索、积累、研究、总结材料工程着重知识的开发应用,材 料 科 学 导 论,材料、能源、信息是现代社会的三大支柱,材 料 科 学 导 论,二、材料是人类进步的里程碑对材料的认识和利用的能
3、力，决定了人类社会的形态和人类的生活质量。人类文明史，也可称为世界材料 发展史人类的时代划分，往往以使用的材料为标准,材 料 科 学 导 论,石器时代（公元前几十万年前5000年）青铜时代（前5000年前1200年）铁器时代（前1200年公元1700年）钢铁时代（1700年现在）高分子时代（1909年现在）贝克兰用化学法合成酚醛树脂新石器时代信息时代（1947年现在）在硅晶体上制成了第一个三级管,材 料 科 学 导 论,材料领域的强国，也是政治、军事强国 1644年，“工业革命”英国成为“日不落帝国”，基础：钢、铁、煤的产量居世界第一钢铁与石器的交锋美利坚合众国向印第安人血与火的扩张（19世纪
4、）,材 料 科 学 导 论,WWI新兴资本主义强国要求“阳光下的土地”，重新划分势力范围WWII三个法西斯向世界宣战,材 料 科 学 导 论,1937年:日本 世界排名 中 国铁 240万吨(7)96 万吨钢 635万吨(6)56 万吨 石油产品 245万吨 25 万吨汽车 9500 辆(8)0造船 43万吨(3)1 万吨面积 37 万平方公里 960 万平方公里人口 1 亿 4.5亿,材 料 科 学 导 论,1937年 日本 中国航空母舰 2 0飞机 700 0坦克 300 0大炮 2500 580机枪 7000 3500步枪 180000 150000,材 料 科 学 导 论,1937年
5、军事实力对比 日本 中国飞机 2600 架 600 架舰艇 77 万吨 5.9 万吨航空母舰 4 艘 0坦克 650 辆 120 辆火炮 15000 门 8000 门,材 料 科 学 导 论,抗日战争历时八年，中国付出巨大代价：军民伤亡 3500 万人 财产损失 5000 亿美元 上海、武汉、南京等城市受到严重破坏,中国钢产量发展进程（万吨）,材 料 科 学 导 论,到2000年，我国主要材料产量：钢、钢材、水泥、玻璃 位居世界第一 10种有色金属、纯碱、烧碱等 位居世界第二 坚实的物质基础使中国的面貌焕然一新。1997年香港回归、1999年澳门回归,2007年钢产量达4.6亿吨世界钢产量约1
6、3亿吨2007年私人汽车拥有量(万辆)2,876,材 料 科 学 导 论,三、材料科学是新兴交叉学科 融会多个学科如物理、化学、计算机、固体科学、结晶学、量子力学等，与多个学科交叉化学工程、电子工程、土木工程、环境工程、航空工程、核工程、生物医学工程等,材 料 科 学 导 论,成分,性能,加工工艺,结构,环境,材 料 科 学 导 论,材料科学是新兴交叉学科，将综合数学、物理学、化学、计算机科学等知识，从原子、分子层次去研究电子、原子、离子的微观行为与材料的宏观性能的关系。在理论指导下，研制、开发、生产各种规格、用途的新型结构材料和功能材料。,材 料 科 学 导 论,摩天大楼帝国大厦（1934,
7、386 m高）世贸中心(1973,415 m高).巨型水坝阿斯旺水坝、三峡大坝.巨型油轮10万吨级(1960s)35万吨级(1980s)航空母舰2万吨级(1930s)4万吨级(1940s)10万吨级(1970s),材 料 科 学 导 论,巨型火箭土星级、长征级、阿里亚纳级隐形飞机F-117（1980s）、B-1、B-2（1990s）均是现代材料科学的工程结晶,材 料 科 学 导 论,四、新材料是现代工农业发展的基础，是信息产业起飞的加速器 电子工业超纯、特薄、特细的材料 原子能工业核电站、电子加速器、质子加速器 耐腐蚀、耐辐射材料,材 料 科 学 导 论,人类已进入信息时代，IC、Intern
8、et、IT技术的发展日新月异。现代材料科学进入了信息材料时代并为信息产业提供了坚实的物质基础：,材 料 科 学 导 论,1883 硒整流器1911 硅整流器1926 锗整流器1946 锗单晶1947 锗接触三极管（Transistor）1950 锗结型三极管（PNP或NPN型）1952 高质量硅单晶1954 Integrated Circuit（IC）问世,材 料 科 学 导 论,1958 IC 集成度10个元件/cm21978 IC 集成度10万个元件/cm21999 IC 集成度10000万个元件/cm2,材 料 科 学 导 论,计算机发展简史：1945 第一台电子计算机问世 每秒运算50
9、00次、体积100立方米1970s 大型计算机运算速度 1000万次/秒1999 10 亿次/秒 美克雷机、中银河机,材 料 科 学 导 论,微型计算机发展：1981 IBM-PC 主频 1 MHz1982 IBM-PC/XT 主频 2 MHz 1984 IBM-PC/AT 主频 4 MHz1985 386计算机 主频 16 MHz1989 486计算机 主频 64 MHz1993 Pentium计算机 主频 133 MHz1996 P-II计算机 主频 256 MHz1999 P-III计算机 主频 500 MHz2000 P-IV计算机 主频 1.3 GHz,材 料 科 学 导 论,高纯(
10、99.999999%)、大口径（300毫米）的硅材料及高质量的III-V族化合物半导体材料是制备所有IC的最重要的物质。硅单晶直径：1英寸（1950s）4英寸(1960s)6英寸(1970s)8英寸(1980s)10英寸(1990s)12英寸(2000)16英寸（研究）,材 料 科 学 导 论,全世界高纯单晶硅产量约4000吨，年产IC数百亿块，直接间接产值10000亿美元。从航天飞机、卫星、计算机、移动通信、CD、VCD、DVD及各种微型电子设备到精密制导武器、大型超视距雷达、各种战略核导弹等等，均是以高速、大容量的IC为基础建成的。,材 料 科 学 导 论,光通讯发展简史1876 Bell
11、发明电话1880 Bell发明光电话1960 Maien发明Laser1966 高琨发表论文，认为可以将石英光纤的损耗从当时 的1000 dB/km降到20 dB/km,材 料 科 学 导 论,1970 美国康宁公司率先制成损耗低 于20 dB/km的石英光纤1972 石英光纤损耗低于4 dB/km1981 石英光纤系统开始商业化1988 横跨大西洋的海底光缆投入使用（5747 km）1989 横跨太平洋的海底光缆投入使用（15927 km）,材 料 科 学 导 论,中国1977 武汉邮电科学院研制出我国第一根 阶跃式多模光纤 300 dB/km1987 武汉-荆州（250 km）国产长途光
12、缆通讯系统完成1999 兰州西宁拉萨（1800 km）光缆完成、八纵八横线路 一级光缆总里程突破 70,000 km2000 光缆产量已达到100万公里 规模,材 料 科 学 导 论,现代经济发展史表明：信息材料及其相关产业是发展速度最快的朝阳产业。中国彩电、手机、交换机、录象机、VCD、DVD机等产量在19802000年间已达到世界第一！,我国信息产业飞速发展 1978年 1999 年 2001年电话 300万 8000万 14000万移动电话 0 4000万 12000万寻呼机 0 6000万 8000万手机 1.2亿户PC 0 350万 500万,截止2008年3月我国内地手机用户人数突
13、破5亿大关，成为世界第一手机大国。,材 料 科 学 导 论,五、新材料是现代国防的保证坦克新型复合装甲材料火炮新型耐高温耐冲击材料飞机新型耐高温轻质合金、复合材料、隐身材料 F-117A,B-2，F-22等,材 料 科 学 导 论,隐身材料：Ni-Zn,Ni-Mg-Zn,Mn-Zn等，可大幅度减少雷达散射截面（RCS）RCS RCSB-52 100 m2 B-1B 0.75 m2FB-111 7 m2 B-2 0.1 m2MiG-21 4 m2 F-117A 0.025 m2MiG-29 3 m2,材 料 科 学 导 论,火箭、导弹新型新型耐高温轻质合金、复合材料、遥感遥测材料高功率激光武器新
14、型激光材料 Nd:Y3Al5O12 连续输出可达 1 KW 30次/秒的巨脉冲输出可达 10 KW,材 料 科 学 导 论,现代战争启示录表明：决定战争的胜负的主要物质因素已从钢铁的多少转到了硅片的多少。1982 英国阿根廷 马岛战争1991 美英等国伊拉克 海湾战争1999 北约南斯拉夫 科索沃战争2001 美英等阿富汗 阿富汗战争,材 料 科 学 导 论,远程精确打击能力巡航导弹（2000 km）、反辐射导弹、空空导弹（120 km）、反舰导弹（400 km）等全天候作战能力红外夜视装备,材 料 科 学 导 论,六、新材料是科技进步的关键美：星球大战计划、NMD计划中：863计划欧洲：尤里
15、卡计划新材料研究与产业化将大大改变人类的社会现状,材 料 科 学 导 论,大口径半导体材料IC的基础激光材料、光纤材料现代通讯的基础新型结构材料现代工程的基础光电子材料信息产业的基础,材 料 科 学 导 论,纳米材料纳米碳管、C60、纳米粉体（ZnO,TiO2，Au,Ag,Pd等）生物材料人工骨、人工心脏、人工血 管、人工皮肤等磁性材料高密度存储信息,材 料 科 学 导 论,功能高分子材料轻、揉性、光、电、磁应用清洁能源材料石油、煤的替代 太阳能电池材料、固体燃料电池材料环境材料人类可持续发展的需要,材 料 科 学 导 论,超导材料低温下无电阻 1911 Hg(4 K)1989 Tl-Ba-C
16、u-O(125 K)希望：300 K,材 料 科 学 导 论,七、材料科学发展趋势 纳米材料、信息功能材料、高性能结构材料成为世界范围的研究热点,重点：新能源材料,能源应用情况概述 核能 太阳能 风能 新型二次电池材料 燃料电池材料,能源分类,(1)人类社会对能源的需求不断增加。能源是与人类社会的生存与发展休戚相关的。人类社会的发展伴随着能源消耗的增加。,能源应用现状,(2)能源结构发生变化。,世界一次商品能源构成,(3)能源应用形态有所改变。,小型的可移动电源的需求量增长很快，这主要是信息技术发展的结果；特别是近年来笔记本电脑、手提电话等移动通信、摄像机、声像设备以及一些军用电子设备的发展，
17、对电池的能量密度要求更高，并要求能够反复使用。因此促进了高容量二次电池的发展。,(4)矿物能源面临枯竭。（1992世界能源大会）,(5)矿物燃烧造成环境污染。(SO2、CO、CO2、NO）（植被、土壤；气候；健康）,图2 世界CO2排放量随时间的变化,(6)新能源的开发不断取得进展 太阳能、生物能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源和二次能源中的氢能。新能源的开发一方面靠利用新的原理来发展新的能源系统，另一方面靠材料的开发与应用，使新系统得以实现，并提高效率，降低成本。,(7)新材料的几个作用：,新材料把原来习用已久的能源变为新能源。如：半导体材料把太阳能有效地直接转变为电能；燃料电池能使氢与
18、氧反应而直接产生电能，代替过去利用氢气燃料获得高温。一些新材料可提高储能和能力转化效果 如：镍电池、锂离子电池等都是靠电极材料的储能效果和能量转化功能而发展起来的新型二次电池。,新材料决定着核反应堆的性能与安全性。材料的组成、结构、制作、加工工艺决定着投资与运行成本。如：太阳电池材料决定着光电转换效率；燃料电池的电极材料决定着电池的质量和 寿命；材料的制备工艺又决定着能源的成本。,(8)能源材料的概念及分类,广义上，凡能源工业及能源利用技术所需的材料都可称为能源材料。新能源材料如增殖堆用核材料、太阳能电池材料节能材料如非晶态金属磁性，超导材料。储能材料如贮氢（吸氢）材料，高比能电池材料,核能原
19、子世界的奇迹,核能的威力体验原子弹与氢弹图片,中国第一颗氢弹爆炸成功腾起的蘑菇云,束缚能,束缚能就是指“把粒子从它的母体中分离出来所需要给它的能量”。比如把基态氢原子中的电子电离出来，必须给它13.55电子伏特的能量，则基态氢原子的束缚能就是13.55电子伏特。,原子核(Nucleus)的构成,原子核包含两种粒子：中子(Neutron)与质子(Proton)中子与质子的质量相近，约为电子质量的1840倍。质子为什么会聚在一核之内？（万有引力、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用）,中子、质子、电子的质量,它们质量很小，通常以“原子质量单位”u表示1u=1.6610-27 kg1me=9.109
20、10-31 kg=0.00055 u1mp=1.6726210-27 kg=1.00730 u1mn=1.6749310-27 kg=1.00869 u,原子核的结合能,中子的质量,质子的质量,氘核的质量（质子+中子）,核能何来,核能的来源的两个途径可以获得能量：重核裂变，即一个重核可裂变为两个中等质量的核，从而获得原子能。轻核聚变。当两个或两个以上的较轻原子核，在极高的温度和极大的压力下非常靠近时，它们聚合在一起而形成一个较重的新原子核，同时释放出巨大的能。,重核裂变与轻核聚变,核裂变：被中子击中时，大原子核分裂成数个小原子核，这个过程会释放能量。,核聚变：数个小原子核结合并释放能量。,原子
21、能的开发与利用,一、原子能的开发1、裂变的机制2、链式反应3、聚变反应的实现二、原子能的利用1、原子弹与氢弹2、核电站3、可控核聚变的研究现状与前景,裂变的机制中子扰动克服强相互作用,裂变过程中的核形变,核裂变反应,链式反应,聚变反应高温高压克服电磁排斥,氘和氚发生聚变后，2个原子核结合成1个氦原子核，并放出1个中子和0.176亿电子伏特能量。,太阳上的核聚变反应,视频：太阳,原子弹与氢弹核能的直接体验,原子弹：它是最早研制出的核武器，它是利用原子核裂变反应所放出的巨大能量，通过光辐射、冲击波、早期核辐射、放射性沾染和电磁脉冲起到杀伤破坏作用。氢弹：又称热核聚变武器，它是利用氢的同位素氘、氚等
22、轻原子核的裂变反应，产生强烈爆炸的核武器。其杀伤机理与原子弹基本相同，但威力比原子弹大几十甚至上千倍。,原子弹与氢弹图片,中国第一颗氢弹爆炸成功腾起的蘑菇云,视频：原子弹与核能,核电站可控裂变反应核裂变能的利用,核电站一般分为两部分：1、利用原子核裂变生产蒸汽的核岛（包括反应堆装置和一回路系统）和2、利用蒸汽发电的常规岛（包括汽轮发电机系统）。,压水堆核电站基本工作原理,核岛,常规岛,视频：核电站,中国现有的核电站包括：秦山核电站（运营中）大亚湾核电站（运营中）岭澳核电站（运营中）田湾核电站（建设中）三门核电站（建设中）,大亚湾核电站,广东省深圳市龙岗区大鹏镇大坑村,岭澳I期核电站,广东省深圳
23、市龙岗区大鹏镇岭澳村,秦山I期核电站,浙江省嘉兴市海盐县秦山镇,秦山II期核电站,浙江省嘉兴市海盐县武原镇杨柳山,秦山III期核电站,CANDU型重水压水堆由加拿大原子能源有限公司(AECL Atomic Energy of Canada Limited)投资设计建造并经营，运行20年后产权和管理归属中国。,秦山三期重水堆核电站,三门核电站,浙江省嘉兴市海盐县秦山镇螳螂山,田湾核电站,江苏省连云港市连云区高公岛乡田湾,核能优点,减少依赖化石燃料。生产巨大能量。只需小量原料。铀矿蕴藏量足够长期使用。运作成本较低（约为火力发电三分之一）。生产电力时不会造成空气污染。,核能的缺点呼唤人类技术进步,如
24、果核能发电厂发生爆炸就会放出大量的辐射。,切尔诺贝利核电站大爆炸已有近万人死亡，十万人受到核辐射伤害，造成直接经济损失数十亿美元，间接经济损失数千亿美元，后患将影响一百年以上。有专家认为，苏联境内将有两万五千人死于核污染引起的癌症。,核废料的处理不当将造成辐射污染,核能发展现状与国家能源需求,核能是公认的现实的可大规模替代常规能源的既干净又经济的现代能源一座百千瓦核裂变电站，300万吨原煤/年法国核电约占总发电量的70%左右英、美等国核电约占总发电量的20%左右,而中国大陆仅1%左右，核电可大有作为!,可控核聚变的研究现状与前景,中国、日本、韩国、俄罗斯、美国和欧盟6大ITER成员国2005年
25、6月28日在莫斯科敲定法国的卡达拉舍（Cadalache）为可控核聚变反应堆建设地，这一为期30年、共计投资将超过100亿欧元的国际超大型科学合作项目很快就将正式启动。,托卡马克装置,托卡马克(Tokamak)是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字 Tokamak 来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由苏联的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。,托卡马克
26、装置,Tokamak Fusion Test Reactor,1989,USA,托卡马克装置,Glowing Plasma inside the Tokamak Fusion Test Reactor,中国的托卡马克装置,中国的超导托卡马克 EAST，Experimental Advanced Superconducting Tokamak)-中国的人造太阳实验室研发阶段,核辐射及其防护三种射线、和,1899年卢瑟福（E.Rutherford）发现了、射线1900年法国维拉尔发现了射线卢瑟福是这三类辐射术语的命名者。射线是带两个正电荷的氦核流；射线是带是带负电的电子流；射线是电中性的电磁辐射（
27、高能光子流）。,三种射线在电场中的偏转,对这三种射线，用它们在垂直于运动方向的电场（或磁场）中的轨迹即可区分。,视频：三种射线,三种射线穿透性比较,放射性活度和电离辐射剂量,1、放射性活度一定量的放射性核素在单位时间内的衰变数单位：1贝克勒尔（Bq）=1次衰变/秒 1居里（Ci）=3.71010 Bq放射性活度只取决于放射源的性质2、电离辐射与辐射剂量 电离辐射：、与射线可以直接或间接引起物质电离,放射性活度和电离辐射剂量,3、电离辐射的照射剂量单位电离辐射剂量描述放射性射线与物质的相互作用后使物质发生电离能力的大小。单位：1伦琴（R）=2.58104 库仑/千克4、吸收剂量及单位吸收剂量：单
28、位质量的被照射物吸收辐照能量的能力单位：1戈瑞（Gray）=1焦耳/千克,放射性活度和电离辐射剂量,辐射剂量当量和有效剂量当量：描述生物组织对辐射吸收剂量所产生的效应单位：1希沃特（Sv）=1焦耳/千克常用单位：毫希（mSv）1Sv=1000mSv常用单位：雷姆（rem）1Sv=100rem,日常生活中接触到的辐射剂量,国家规定安全剂量 5 mSv年 北京地区天然本底 2 mSv年 吃食物 0.2 mSv年 砖制房屋 0.4 mSv年 乘飞机 0.01 mSv小时,日常生活中接触到的辐射剂量,胸部透视 大于0.1 mSv次 消化道造影大于13.7 mSv次吸烟20支天 1 mSv年门诊透视 大
29、于0.3 mSv次 泥土、空气 0.5 mSv年,太阳能,太阳灶,太阳能热水器,航天器,太阳能发电装置,太阳能汽车,太阳能发电站,太阳能储备,太阳能电池,1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为4%，于1958年应用到美国的先锋1号人造卫星上。太阳能电池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应用中。一个4KW的屋顶家用光伏系统可以满足普通家庭的用电需要，每年少排放的CO2的数量相当于一辆家庭轿车的年排放量。由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，现在太阳能电池的价格不到20世纪70年代的1%。预期10年内太阳能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发电竞争。目前，
30、年均增长率35%，是能源技术领域发展最快的行业。,太阳能电池的发电原理是基于光伏效应(Photovoltaic Effect)由太阳光与材料相互作用而产生电势。,太阳光谱图,太阳能电池的种类,按照所用材料的不同：,无机太阳能电池半导体硅(单晶、多晶、非晶、复合型等）化合物半导体（GaAs、CuInSe2、CdTe、InP等）有机太阳能电池有机半导体（酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等）光化学太阳能电池（纳米TiO2等）,无机太阳能电池,工作原理,当太阳能电池受到阳光照射时，光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电子-空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极，正负电荷分别被上下电极收集。由电荷聚集
31、所形成的电流通过金属导线流向电负载。,无机太阳能电池研究进展,表1 无机太阳能电池的性能及应用,单晶硅：澳大利亚新南威尔士大学格林教授发电成本可降低为58美分/（kWh）,M.Grtzel,Photoelectrochemical cells,Nature 2001(414),338,有机太阳能电池,工作原理:有机半导体产生的电子和空穴束缚在激子(excitons)之中,电子和空穴在界面(电极和导电聚合物的结合处)上分离。研究进展:美国加州伯克利分校科学家在2002年利用塑料纳米技术研制出第一代塑料太阳能电池，可以安装在一系列便携式设备及可穿戴式电子设备上。提供07V的电压。特点：价格低、易成
32、型，通过化学修饰调控性能。,色素敏化光化学太阳能电池（DSSCs）,阳极：染料敏化半导体薄膜 TiO2、染料 阴极：镀铂的导电玻璃电解质：I3-/I-,太阳能电池的发展方向,材料与器件结构的研究与开发各种太阳能电池材料研究杂质与缺陷的转换效率及稳定性影响使用薄膜技术和剥离技术。大规模生产技术的开发跟踪与聚光储电及并网发电结合并网发电已占50%以建成多个兆瓦级的电站，100MW规模VS太阳能热发电站与建筑物结合_环保建筑架设太阳电池组件日本：1994-2000年 2万套屋顶光伏系统185MW；七万屋顶计划 280Mw美国：19972010年 百万屋顶计划 3025MW 发电成本6美分集成在建筑材
33、料上曲线形屋顶瓦、垂直幕墙、窗用玻璃,风力发电,风能是取之不尽，用之不竭的清洁，无污染，可再生能源。风力发电有很強的地域性。不是任何地方都可以建站的。它必須建在风力资源丰富的地方。即风速大、持续时间长。风力资源大小与地势、地貌有关，山口、海岛常是优选地址。如新彊达板城、年平均风速6.2米/秒；内蒙古辉腾锡勒，年平均风速为7.2米/秒，,江西鄱阳湖，年平均风速7.6米/秒；河北张北，年平均风速6.8米/秒；辽宁东港，年平均风速6.7米/秒；广东南澳，年平均风速8.5米/秒；福建平潭岛全县年平均风速8.4米/秒，平潭县海潭岛，年平均风速为8.5米/秒，年可发电风时数为3343小时，为目前中国之冠。
34、（以上数字引自“全国风力发电信息中心的并网风电场介绍”）。南海的南沙群岛，该岛一年连续刮六级以上大风有160天。在我国這样的地方还有许多许多正等待我们去探索、发现。,风的季节性，决定了風力发电在整个电网中处于“配角地位。风力发电机使用有三种运行方式：能源利用：风力发电机，机群并网运行。有风发电，电能送入电网。无风不发电。无电网的高山，海岛，牧区：风力发电机与柴油发电机并联运行。有风时风力发电，无风时柴油发电机犮电。对用户来説时时都有电。,同上无电网地区，要求不使用柴油发电，时时有电供应：採用蓄电池儲能的AC-DC-AC，即交，直，交风力发电系统。也就是有风时，风力发电机发出交流电，经整流为直流
35、电对蓄电池充电。再利用电力电子器件制造的“逆变器将蓄电池中的直流电转化为三相恒频恒压的交流电。这种系统多用在高山雷达站、微波中继站，海洋灯塔，航标灯场合。,建设周期短一个万千瓦级的风电场建设周期不到一年。装机规模灵活根据资金情况灵活安排可靠性高机组寿命一般可达20年。运行维护简单,实际占地面积少机组、监控与变电等建筑仅占火电厂的1%土地，其余场地仍可供农、牧、渔使用。单机容量小,风能发电,澳大利亚风力发电,电池材料,化学电源的特点,（1）能量转换效率高 化学电源能量转换效率远远高于火力发电。从理论上讲可以达到100%。（2）污染相对较少（3）便于使用 化学电源的特点还在于具有可携带性、使用方便
36、。可以做成适合不同工作需要的多种性能的装置，从而为一些用于特殊目的的设备提供电能，这是其它供电方式无法比拟的。,化学电源性能指标（1）容量是指安培电流持续通过所给出的电量(I、t)。（2）理论质量比能量是指1kg反应物所产生的电能。（3）化学电源的寿命包括使用寿命，充放寿命和贮存寿命。,一次电池锌银电池,锌银电池的结构式为：Zn（s）Zn(OH)2(s)|KOH(40%)+K2ZnO2(饱和溶液)Ag2O(s)|Ag(s)或写成 Zn(s)ZnO(s)|KOH(40%)|Ag2O(s)|Ag(s)负极反应：Zn+2OH-Zn(OH)2+2e-正极反应：Ag2O+H2O+2e-2Ag+2OH-电
37、池反应：Zn+Ag2O=ZnO+Ag,二次电池,1 铅酸蓄电池 铅酸蓄电池的构成如下：Pb(s)H2SO4(aq,b)PbO2(s)|Pb(s)负极：Pb+HSO4-PbSO4+H+2e-正极：PbO2+3H+HSO4-+2e-PbSO4+2H2O 电池反应：Pb+PbO2+2H+2HSO4-=2PbSO4+2H2O,新型二次电池材料,一次电池：充、放电过程不可逆。二次电池：充、放电过程是可逆的；放电时通过化学反应可以产生电能；充电时通过反向电流将电能以化学能形式重新储存起来。,新型的二次电池：铅酸电池和镉镍电池是早已广泛应用的二次电池，但是比能量都很低；另外，铅和镉都是有毒金属，对环境的污染
38、问题严重。新型的二次电池性能优良，可循环使用，对环境的污染较小，避免了上述弊病。,新型二次电池发展的推动力：天然能源（石油、煤）在不断消耗。环境保护的呼声愈来愈高。（无毒、无污染）信息技术的发展要求电池小型化、轻型化、长的服务时间和工作寿命。航天领域（如卫星用电）和现代化武器（军事通信设备）对轻质高能二次电池的需求迫切。,新型二次电池的研究重点：1）储氢材料及金属氢化物镍电池；2)锂离子嵌入材料及液态电解质锂离子电池；3)聚合物电解质锂离子电池。,NiMH二次电池产生：20世纪60年代末，发现储氢合金。1974年开始储氢合金作为二次电池的负极材料的研究。1984年解决了合金冲放电过程中容量迅速
39、衰减的问题。1987年试生产。,1）工作原理,可以看出：利用氢的吸收和释放的电化学可逆反应；正电极采用氧化镍物质，负电极采用吸收氢的合金；电解质由水溶液组成，其主要成分为氢氧化钾。KOH电解质不仅起离子迁移电荷作用，而且参与了电极反应。,2）电极材料正极材料球形Ni(OH)2正极材料Ni(OH)2是涂覆式NiMH电池正极使用的活性物质。电极充电时Ni(OH)2转变成NiOOH，Ni2+被氧化成Ni3+放电时NiOOH逆变成Ni(OH)2，Ni3+还原成Ni2+。,负极材料储氢合金(MH)用于NiMH电池负极材料的储氢合金应满足下述条件：电化学储氢容量高；在热碱电解质溶液中合金组分的化学性质相对
40、稳定；(c)反复充放电过程中合金不易粉化；(d)合金应有良好的电和热的传导性；(e)原材料成本低廉。,图8 NiMH电池典型的温度曲线,4）发展优势(a)能量密度高；(b)无镉污染，是绿色电池；(c)可以大电流快速充放电；(d)NiMH电池的工作电压也是1.2V，与NiCd电池具 有互换性等独特优势。在小型便携式电子器件中获得了广泛应用，在电动工具、电动车也正在逐步得到应用。,使用镍氢电池的电动助力车,绿色环保的镍氢电池,锂离子二次电池,这种电池中采用特殊炭材料代替金属锂为负极，配以嵌锂正极材料，在充放电过程中通过锂离子在正、负极之间往返嵌入或脱嵌以贮存及释放电能,锂离子二次电池既保持了锂电池
41、的高电势，又避免了金属锂循环性不良和安全性差等缺点，由于锂离子电池具有高的比能量(120 w h kg-1)长循环寿命(1000次)，低自放电等一系列优点，1991年起已有小批量商品生产，然而，这种电池系统仍有相当大的改进余地。目前有关锂离子二次电池的研究已成为二次锂电池研究中最活跃，发展也最迅速的前沿领域。,一、锂离子电池的结构与工作原理所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的、独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”,正极一般选择相对锂而言电位大于3V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化
42、物做正极，如层状结构的LiMO2(LiCoO2、LiNiO2)和尖晶石结构的LiM2O4（M=Co、Ni、Mn、V等过渡金属元素）负极做为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物，包括SnO、SnO2、锡复合氧化物等,电解质电解质采用LiPF6（六氟磷酸锂）的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（PC）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。,隔膜隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们复合膜，尤其是PP/PE/PP三层隔膜不仅熔点较低，而且具有较高的抗穿刺强度，起到了热保险作用外壳采用钢或铝材
43、料，盖体组件具有防爆断电的功能,锂离子电池的种类根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为液态锂离子电池(lithium ion battery,简称为LIB)和聚合物锂离子电池(polymer lithium ion battery,简称为LIP)它们的主要区别在于正极或电解质的不同,锂离子电池使用的是液体电解质,而聚合物锂离子电池则以聚合物电解质来代替,这种聚合物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用聚合物胶体电解质。,聚合物锂离子电池可分为三类：（1）固体聚合物电解质锂离子电池。电解质为聚合物与盐的混合物，这种电池在常温下的离子电导率低，适于高温使用。（2）凝胶聚
44、合物电解质锂离子电池。即在固体聚合物电解质中加入增塑剂等添加剂，从而提高离子电导率，使电池可在常温下使用。（3）聚合物正极材料的锂离子电池。采用导电聚合物作为正极材料，其比能量是现有锂离子电池的3倍，是最新一代的锂离子电池。,聚合物锂离子电池的优点聚合物锂离子电池具有可薄形化、任意面积化与任意形状化等优点，也不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题，因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳，从而可以提高整个电池的比容量；聚合物锂离子电池还可以采用高分子作正极材料，其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高50以上。此外，聚合物锂离子电池在工作电压、充放电循环寿命等方面都比锂离子电池有所提高。基于以上优点
45、，聚合物锂离子电池被誉为下一代锂离子电池。,燃料电池,比能量与工作时间的关系 1铅蓄电池；2锌-氧化银电池；3发电机(汽油液氧)；4发电机(液氢液氧);5燃料电池(液氢液氧)。发电功率均为1kW,氢氧燃料电池-H2+O2H2O(1),+,一般燃料电池所具有的高效率、无污染、无噪声、可有功率密度高、工作温度低、启动快、使用寿命长等优点。在固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应用前景，已引起越来越多国家和企业的重视，都纷纷斥巨资于这一项目，目前已接近于商业化应用。,背景介绍,燃料电池分类,碱性燃料电池 AFC：Alkaline fuel cell质子交换膜燃料电池 PEMFC
46、:Proton Exchange Membrane fuel cellDirect methanol fuel cell，Direct-ethanol fuel cell磷酸型燃料电池 PAFC:Phosphoric acid fuel cell 熔融碳酸盐型燃料池 MCFC:Molten carbonate fuel cell固体氧化物燃料电池 SOFC:solid oxide fuel cell,全球燃料电池产业规模持续扩大，便携式电池和小型固定式电池,全球燃料电池应用系统的增长（单位：个）,北美主导，其次是欧洲和日本，然后是韩国和中国,六十年代碱性燃料电池曾迅速发展并在航天领域得到应用。
47、七十至八十年代，熔融碳酸盐燃料电池和 固体氧化物燃料电池发展起来。九十年代以来，质子交换膜燃料电池得到迅猛发展。把燃料电池应用到汽车上是一个历史性的突破，这种电动汽车的最大好处是灵敏度高，不会因汽车尾气等造成环境污染。,燃料电池应用速度加快，氢能燃料站持续增加,Fuel cells are different from electrochemical cell batteries in that they consume reactant,which must be replenished,whereas batteries store electrical energy chemically
48、 in a closed system.Additionally,while the electrodes within a battery react and change as a battery is charged or discharged,a fuel cells electrodes are catalytic and relatively stable.,质子交换膜燃料电池（PEMFC）,一个PEMFC本体由若干个电池单体组成，每个电池单体又包括双极板、电极/铂催化剂和质子交换膜等部件。除了PEMFC本体外，PEMFC系统还包括燃料及其循环系统、氧化剂及其循环系统、水/热管理系
49、统等辅助系统。,PEMFC的工作原理如下（以氢气为燃料，以氧气为氧化剂）：（1）增湿后的氢气通过双极板上的气体通道穿过阳极扩散层，到达电池的阳极催化剂层，并吸附于催化剂层中。（2）吸附于阳极催化剂层中的氢气在铂催化剂的作用下，发生阳极反应，在阳极上产生电子。H2 2H+2e 或：nH2O+1/2H2 H+nH2O+e（3）随后，H+或H+nH2O进入质子交换膜，通过与膜中磺酸基上的H+进行质子交换到达电池阴极。与此同时，增湿的氧气也穿过双极板上的气体通道和扩散层，吸附于阴极电催化剂层中。,（4）吸附于阴极催化剂中的氧气与交换而来的H+在铂催化剂的作用下，发生阴极反应：1/2O2+2H+2e H
50、2O在阴极上电子被吸收，阳极氢在较低电位下氧化，阴极氧在较高电位下还原，两极间产生电位差，将外电路连接就会形成电流，向外电路输出电能 因而理论上PEMFC的转化率可超过80%,Fuel Cell StacksMost fuel cells designed for use in vehicles produce less than 1.16 volts of electricity-far from enough to power a vehicle.Therefore,multiple cells must be assembled into a fuel cell stack.The po
